Agnieszka Jurkiewicz, Yuriy Pyryev
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji
Instytut Mechaniki i Poligrafii, Zakład Technologii Poligraficznych
Nieodpowiedni nacisk pomiędzy wałkami w zespole drukującym, farbowym, nawilżającym czy w innych częściach maszyny offsetowej arkuszowej, w których występuje problem kontaktu między wałkami, ma wpływ na jakość zadruko-wywanych opakowań tekturowych i papierowych oraz na inne ekonomiczne aspekty drukowania. Do tej pory nacisk bądź docisk wyznaczany był jedynie doświadczalnie, a poprawność jego ustawienia zależała od doświadczenia drukarza.
Już w pierwszej części maszyny, czyli w samonakładaku, a dokładniej na początku stołu spływowego mamy do czynienia z zagadnieniem kontaktu pomiędzy wałkami, gdyż znajdują się tam wałki wprowadzające. Dolny wałek wprowadzający ma długość równą szerokości stołu spływowego, natomiast górny jest znacznie węższy. Zależnie od maszyny mogą występować dwa lub cztery górne wałki. Przesuwają one arkusz, podany im przez głowicę samonakładaka, na stół spływowy. Ze względu na różną grubość papieru, przy każdej zmianie rodzaju papieru należy ustawić odpowiedni nacisk.
Oprócz wałków wprowadzających na początku stołu spływowego znajduje się urządzenie do wykrywania podwójnych arkuszy, które również jest wąskim wałkiem znajdującym się nad długim dolnym wałkiem wprowadzającym. W tym przypadku odległość między nimi musi zostać odpowiednio ustawiona zależnie od grubości papieru, jak również od formatu arkuszy. Przy minimalnym formacie papieru nachodzą na siebie dwa arkusze, a przy maksymalnym formacie – trzy arkusze.
Kolejnym miejscem, w którym pojawia się kontakt między wałkami jest moment przekazania arkusza ze stołu spływowego do zespołu drukującego. Istnieją mechanizmy podawania, w których występują dwa podajniki obrotowe (wałki) pomiędzy stołem spływowym a cylindrem dociskowym, pozostające względem siebie w ułożeniu poziomym (a nie pionowym). Innym sposobem podawania arkusza jest chwycenie go przez podajnik wahadłowy i podawanie do podajnika obrotowego (wałka), który pozostaje w kontakcie z cylindrem dociskowym. Istnieją także podajniki, w których występują rolki podające. W tym przypadku, po wyrównaniu arkusza na stole spływowym opadają na niego górne rolki podające i razem z dolnymi przesuwają go w stronę cylindra dociskowego. Ważne jest, dla tych wszystkich sposobów podawania arkusza, że poza przesunięciem papieru ze stołu spływowego do cylindra dociskowego muszą one także rozpędzić ten arkusz do prędkości obwodowej cylindra dociskowego.
Przy rozpatrywaniu zagadnienia nacisku pomiędzy wałkami nie można pominąć zespołów farbowego, nawilżającego oraz drukującego, które składają się głównie z wałków i cylindrów.
Miejscami kontaktu wałków w zespole drukującym są: miejsce styku cylindra dociskowego z cylindrem pośrednim oraz cylindra pośredniego z cylindrem formowym. Cylinder dociskowy jest stalowym cylindrem, w którym pierścienie odtaczania znajdują się poniżej części roboczej cylindra. Natomiast pierścienie odtaczania zarówno dla cylindra pośredniego, jak i formowego mają większą średnicę niż średnica ich części roboczej. Różnica pomiędzy tymi średnicami nazywa się podcięciem.
Na część roboczą cylindra pośredniego zakładany jest obciąg gumowy, zazwyczaj wraz z podkładem. Istnieją dwa rodzaje obciągów gumowych: konwencjonalny i kompresyjny. Obecnie obciągi konwencjonalne używane są już tylko w starszych maszynach. Obciągi kompresyjne są lepsze od konwencjonalnych, gdyż pomiędzy warstwami tkaniny mają warstwę kompresyjną, która we właściwościach i budowie przypomina gąbkę. Ma ona otwarte bądź zamknięte mikrokanaliki. Dzięki tej warstwie, w momencie dociśnięcia cylindra pośredniego do cylindra formowego czy do cylindra dociskowego podczas drukowania, obciąg gumowy nie wybrzusza się ani po jednej ani po obu stronach strefy kontaktu, czyli miejsca styku dwóch cylindrów. Ponadto warstwa ta powoduje, że obciąg kompresyjny ma większą odporność na nieplanowane zgniecenia, powoduje mniejsze zużycie formy drukowej, a także zmniejsza wibracje powstające w momencie stykania się kanałów cylindrów. Na część roboczą cylindra formowego zakłada się formę drukową, zazwyczaj również wraz z podkładem. Za pomocą dobierania odpowiedniej grubości podkładów pod formą i pod obciągiem gumowym regulowany jest docisk pomiędzy cylindrem formowym i pośrednim oraz pośrednim i dociskowym. Podcięcie części roboczej cylindra formowego jest mniejsze od podcięcia części roboczej cylindra pośredniego, gdyż obciąg gumowy ma większą grubość niż forma drukowa.
Ponieważ zespoły farbowy i nawilżający również składają się głównie z wałków, zagadnienie nacisku między wałkami w przypadku tych zespołów jest bardzo istotne. Zespół farbowy składa się zazwyczaj z takich wałków jak metalowy duktor obracający się w kałamarzu farbowym, przybierak – wałek obracający się okresowo, stalowe wałki rozcierające pokryte oleofilowym materiałem, wykonujące oprócz ruchu obrotowego ruch posuwisto-zwrotny, gumowe lub wykonane z innych tworzyw sztucznych wałki przenoszące – rozdzielające, a także gumowe lub wykonane z innych tworzyw sztucznych wałki nadające – przekazujące farbę z zespołu farbowego na cylinder formowy.
Zespoły nawilżające dzielą się na zespoły o okresowym podawaniu roztworu nawilżającego, tzw. konwencjonalne oraz zespoły o ciągłym przekazywaniu roztworu nawilżającego. Konwencjonalny zespół nawilżający składa się z podobnych wałków co zespół farbowy, tzn. pokrytego chromem bądź ceramicznego duktora wodnego, gumowego przybieraka wodnego pokrytego papierem lub tkaniną, okresowo przylegającego najpierw do duktora potem do rozcieraka, stalowego rozcieraka mającego na swojej powierzchni warstwę ceramiczną bądź chromową, wykonującego oprócz ruchu obrotowego także ruch posuwisto-zwrotny oraz gumowego nadawaka czasem pokrytego tkaniną. Wałki wchodzące w skład zespołów nawilżających o ciągłym podawaniu roztworu nawilżającego to elastyczny bądź twardy duktor wodny, wałek dozujący, chromowany wałek przekazujący oraz gumowy nadawak wodny. Czasem wałek dozujący pełni jednocześnie funkcję duktora lub wałek przekazujący jest jednocześnie wałkiem przekazującym i duktorem. Wałki pozostające ze sobą w kontakcie są na zmianę elastyczne i twarde, co powoduje dobre ich przyleganie do siebie przy odpowiednio ustawionym nacisku.
Sposoby sprawdzania i ustawiania nacisku pomiędzy wałkami zespołu drukującego oraz farbowego
W zespole drukującym nie jest określany nacisk wyrażony w Newtonach na jednostkę powierzchni, ale wyliczany jest docisk, który może być regulowany na dwa sposoby: stosowaniem odpowiednich podkładów pod obciągiem gumowym i pod formą drukową albo przystawianiem i odstawianiem cylindra pośredniego lub dociskowego (znacznie rzadziej).
Podkładem mogą być arkusze papieru lub folii o określonej grubości i odpowiedniej stabilności wymiarowej. Docisk wyliczany jest poprzez zsumowanie wysokości, na jaką wystaje forma drukowa nad pierścieniami odtaczania cylindra formowego oraz obciąg nad pierścieniami odtaczania cylindra pośredniego. W przypadku maszyn, których pierścienie odtaczania nie stykają się podczas drukowania, od tej sumy odejmuje się jeszcze odległość między nimi podczas drukowania. Ponieważ wysokość formy drukowej ponad pierścieniami odtaczania oraz wysokość obciągu gumowego nad pierścieniami odtaczania, a także wielkość podcięć, grubość obciągu oraz formy drukowej są podane przez ich producentów, można wyliczyć grubość podkładu potrzebną do prawidłowego drukowania.
Docisk może być również regulowany za pomocą odstawiania i przystawiania cylindra formowego zamocowanego na tulejach mimośrodowych i specjalnych łożyskach tocznych. Jego zbliżenie do cylindra formowego i cylindra dociskowego jest regulowane niezależnie. Odstawienie cylindra pośredniego nie może być zbyt duże, ponieważ cylinder pośredni jest połączony z cylindrem formowym i dociskowym kołami zębatymi, których zęby muszą pozostać zazębione. Istnieją również maszyny, w których przesuwany może być cylinder dociskowy, a nie pośredni. Jest to jednak rzadkością, gdyż cylinder dociskowy jest zbyt ciężki. Możliwość regulacji w ten sposób tylko docisku pomiędzy cylindrem dociskowym a pośrednim to poważna wada tego rozwiązania.
W zespołach farbowym i nawilżającym nacisk sprawdzany jest za pomocą pasków papieru lub folii. Stosowana może być metoda pojedynczego paska, dwóch pasków lub trzech pasków. W przypadku metody z użyciem dwóch pasków jeden z nich jest dłuższy, a także co najmniej dwa razy węższy od drugiego i włożony pomiędzy złożony na pół szerszy i krótszy pasek. Dla metody z trzema paskami dłuższy i węższy pasek wkłada się pomiędzy dwa pozostałe paski o takich samych wymiarach. Pomiar nacisku między wałkami polega na umieszczeniu pomiędzy nimi tych pasków i wyciągnięciu ich ręcznie, przy czym w przypadku metody dwóch pasków lub metody trzech pasków wyciąga się pasek dłuższy i węższy znajdujący się pomiędzy pozostałymi. Na podstawie siły, z jaką wyciąga się paski można ocenić, czy nacisk jest równomierny na całej szerokości wałków, a w przypadku drukarza mającego odpowiednie doświadczenie również to, czy wałki nie są zbyt mocno lub zbyt słabo dociśnięte. Istnieje również wskaźnik pomiarowy, którego wypust wkładany zostaje między dwa zewnętrzne paski znajdujące się pomiędzy wałkami. Po wyciągnięciu podaje on maksymalny opór wyciągania.
Inną metodą sprawdzenia nacisku wałków w zespole farbowym jest pomiar szerokości strefy kontaktu wałków. Nafarbiony wałek przystawia się na chwilę do czystego wałka i następnie po odstawieniu go mierzy szerokość odbitego paska farby. Następnie porównuje się ją z wartością szerokości paska farby podaną przez producenta maszyny.
Istnieje urządzenie (Roller Nip Control), które zaopatrzone jest w czujnik wsuwany pomiędzy wałki. Mierzy on szerokość strefy kontaktu oraz nacisk. Można go stosować w momencie, kiedy wałki są nieruchome, jak również kiedy obracają się powoli. Przeznaczony jest do regulacji nacisku w zespole farbowym i drukującym.
Na początku stołu spływowego znajdują się rolki wprowadzające. Ich nacisk sprawdza się za pomocą paska papieru o grubości 0,10 mm, który umieszczany jest pod wałkiem, a następnie wyciągany bokiem. Pasek ten powinien wyciągać się spod wszystkich wałków naprężających lekko i równomiernie. Ta metoda także opiera się na odczuciach i doświadczeniu drukarza, a więc tak samo jak metoda paskowa regulacji nacisku między wałkami zespołu farbowego jest subiektywna.
Wpływ nieodpowiednio ustawionego nacisku pomiędzy wałkami lub cylindrami na różnorodne aspekty drukowania
Odpowiednie ustawienie nacisku między cylindrami zespołu drukującego oraz wałkami zespołów farbowego i nawilżającego jest bardzo istotne, gdyż wpływa na różne ekonomiczne aspekty drukowania. Można je podzielić na trzy grupy: jakość zadrukowanego opakowania, zużycie części w maszynie oraz narząd maszyny, czyli przygotowanie jej do drukowania.
Przede wszystkim złe ustawienie nacisku pomiędzy cylindrami zespołu drukującego pogarsza jakość odbitek drukarskich, co może prowadzić do tego, że niezadowolony klient nie zapłaci za takie odbitki. Z drugiej strony, jeśli wcześniej, czyli w trakcie drukowania, zostaną zauważone błędy na odbitce, to czas dobrania parametrów drukowania (w tym przypadku nacisku) tak, aby jakość była zadowalająca, może zająć sporo czasu. A jak wiemy, czas to pieniądz. Zbyt duży nacisk bowiem wpływa na deformację punktów rastrowych oraz nadmierny przyrost punktów rastrowych. Prowadzi to do zmiany kontrastu odbitki. Natomiast zbyt mały nacisk może prowadzić do za małej gęstości optycznej odbitki. Jeśli w różnych zespołach drukujących tej samej maszyny będziemy mieć inny nacisk, to wystąpi także problem z pasowaniem kolorów. Może to być spowodowane nadmiernym wydłużeniem papieru lub punktów drukujących w kierunku drukowania. Zbyt duży nacisk pomiędzy cylindrami zespołu drukującego może prowadzić do poślizgu między ich powierzchniami, a co za tym idzie do błędu drukowania takiego jak murzenie, szczególnie w przypadku drukowania z formy o drobnym ziarnowaniu i/lub na papierze powlekanym. Zbyt duży nacisk pomiędzy cylindrem formowym a pośrednim, przy zbyt luźno założonym obciągu zwiększa jego tendencję do przylegania do formy drukowej za strefą kontaktu, co może powodować smugi na odbitkach.
Tak jak zostało wcześniej wspomniane, eliminacja błędów występujących na odbitce drukarskiej zauważonych na początku drukowania przedłuża czas przygotowania maszyny do drukowania. Jeśli już na początku będzie wiadomo, jaki nacisk jest prawidłowy, to wyeliminuje to jeden z parametrów, który drukarz musi sprawdzić i ustawić.
Równie ważnym problemem występującym przy ustawieniu nieodpowiedniego nacisku jest szybsze zużycie się różnych elementów maszyny. Ten problem występuje głównie w momencie, gdy ustawiony nacisk będzie zbyt duży. Wpływa on bowiem na szybsze zniszczenie formy drukowej poprzez zniszczenie punktów rastrowych. Zbyt duży nacisk, zarówno pomiędzy cylindrem pośrednim a formowym, jak i pomiędzy cylindrem pośrednim a dociskowym powoduje szybsze zużycie obciągu poprzez zmniejszenie jego grubości, elastyczności, stopnia kompresji.
Przy zbyt dużym nacisku pomiędzy cylindrem formowym a pośrednim i pośrednim a dociskowym może nastąpić wzrost ich temperatury, przez co zwiększy się ich rozmiar, a także nastąpi deformacja pierścieni odtaczania (gładkich pierścieni z utwardzonego metalu znajdujących się na obu końcach cylindra) w przypadku maszyn, w których podczas drukowania pierścienie te stykają się ze sobą. Powoduje to zwiększenie drgań w maszynie, które również wpływa na szybsze zużycie innych elementów maszyny. Deformacja pierścieni odtaczania może prowadzić do takich błędów drukowania, jak murzenie, paskowanie czy tonowanie, które z kolej pogarszają jakość odbitki. Zbyt duży nacisk pomiędzy cylindrem pośrednim a cylindrem dociskowym może także spowodować nadmierne rozciągnięcie lub nawet zerwanie papieru, a także zrywanie lub rozdzielanie jego powierzchni. Natomiast zbyt mały nacisk może spowodować dublowanie, a także odskakiwanie pierścieni odtaczania, co może prowadzić do ich deformacji i błędów drukowania takich, jak np. paskowanie.
Ustawienie nadawaków farbowych i nawilżających ze zbyt dużym naciskiem w stosunku do cylindra formowego może prowadzić do ich odskakiwania w momencie, gdy przemieszczają się nad kanałem cylindra i uderzania w przednią krawędź formy, a co za tym idzie do zmiany grubości farby na formie drukowej, a w dalszej kolejności powstania smug na odbitce. Może to również powodować przedwczesne zużycie formy drukowej. Taki za duży nacisk prowadzi również do nadmiernego dotgainu, a czasem również tonowania. Nacisk nadawaków na rozcieraki powinien być większy niż na cylinder formowy. Nierównomierne ustawienie nacisku wałków nadających powoduje poślizg, w wyniku którego na odbitce powstają smugi. Zbyt duży nacisk pomiędzy wałkami zespołu farbowego prowadzi do ich nadmiernego nagrzania, pęcznienie gumy. Odpowiednie ustawienie nacisku przybieraka może zmniejszyć zjawisko zwane wstrząsem przybieraka, które powoduje powstanie wibracji w zespole farbowym, a także tonowanie i dublowanie.
W zespole nawilżającym nacisk nadawaka względem rozcieraka i cylindra formowego można regulować. Musi on być wystarczający, aby przenosić roztwór nawilżający oraz aby zostać napędzonym przez rozcierak. Wskutek zbyt dużego nacisku następuje wyciskanie roztworu spomiędzy wałków, a przez to niewłaściwe nawilżenie formy. Z kolej zbyt mały nacisk powoduje przekazanie za dużej ilości roztworu nawilżającego, wskutek czego może nastąpić problem z emulgowaniem, jak również problem z pojawieniem się zbyt dużej ilości roztworu nawilżającego w zespole farbowym, co może doprowadzić do problemów z utrwalaniem farby oraz przyjmowaniem farby przez wałki farbowe.
Zagadnienie kontaktu między wałkami w arkuszowej offsetowej maszynie drukującej
Wykorzystując równania teorii sprężystości otrzymano następujący wzór na zbliżenie d cylindrów: (wzory w wersji drukowanej)
(1)
gdzie:
a – połowa szerokości strefy kontaktu,
R1, R2 – promień odpowiednio górnego i dolnego wałka,
1, 2 – współczynnik Poissona odpowiednio wałka górnego i wałka dolnego,
E1, E2 – moduł Younga odpowiednio dla wałka górnego i wałka dolnego,
P – siła przyłożona do środków cylindrów wyrażona wzorem:
Ciśnienie kontaktowe wyznaczone zostało według wzoru:
Jak do tej pory wyznaczony powyżej wzór (1) na zbliżenie wałków nie został znaleziony w literaturze naukowej i technicznej.
W przypadku, gdy kontakt odbywa się pomiędzy wałkiem stalowym (ciało 1) i obciągiem (ciało 2) można przyjąć E1 = ∞. Wzory (1) przyjmą postać:
(2)
W literaturze technicznej, przy założeniu, że odkształcenie obciągu odbywa się wyłącznie w kierunku promienia, do obliczenia zbliżenia cylindrów wykorzystywany jest wzór [10]:
(3)
W przypadku, gdy R1 = R2 wzór (2) przyjmuje postać:
(4)
a wzór (3) ma postać: (5)
Na rys. 2 przedstawiono otrzymaną zależność bezwymiarowego zbliżenia osi cylindrów d/R2 od bezwymiarowego obszaru kontaktu a/R2 dla różnych wartości współczynnika Poissona 2. Analogiczną zależność, która jest wykorzystywana w literaturze technicznej [10, 11], przedstawiono za pomocą linii przerywanej. Widzimy znaczną rozbieżność wyników.
Otrzymane wzory po weryfikacji doświadczalnej, mogą być wykorzystane do wyznaczenia parametrów stykających się cylindrów w maszynach drukujących opakowania, jak również do prognozowania tych parametrów. n
Literatura
[1] Lloyd P. Dejidas, Jr., Thomas M. Desree, Technologia offsetowego
drukowania arkuszowego, COBRPP, Warszawa 2007
[2] Kipphan H., Handbook of Print Media, Springer-Verlag,
Berlin Heidelberg 2001
[3] Panak J. i inni Poligrafia procesy i technika, COBRPP, Warszawa 2009
[4] Ciupalski S. Maszyny drukujace konwencjonalne,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2001
[5] Thomas M. Destree, Trudności w arkuszowym drukowaniu offsetowym,
COBRPP, 2007
[6] S. Timoshenko, J. N. Goodier, Teoria sprężystości, Arkady, Warszawa 1962
[7] Johnson K. I., Contact mechanics, Cambridge University Press,
Cambridge 1985
[8] W. Nowacki, Teoria sprężystości, Państwowe Wydawnictwo Naukowe,
Warszawa 1970
[9] W. Pauk, Wybrane zagadnienia kontaktu ciał odkształcalnych,
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Kielce 2005
[10] Cziehman Ja. I., Sienkys W. T., Didicz W. P., Bosak W. O., Drukarskie ustatkuwanja. Pidrucznik. Ukrainska Akademija Drukarstwa, Lwiw 2005
[11] Tjurin A. A., Pieczatnyje masziny - awtomaty, Kniga, Moskwa 1980
